JP5509498B2 - Battery having air electrode and biasing lever gasket - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に電気化学バッテリの密封閉止に関し、より詳細には、セル漏れ及び電極アセンブリのドーミングを防止又は低減する空気減極セルバッテリのような流体消費電極を有するバッテリセルの密封閉止に関する。 The present invention relates generally to hermetic closure of electrochemical batteries, and more particularly to hermetically closing battery cells having fluid consuming electrodes such as air depolarized cell batteries that prevent or reduce cell leakage and electrode assembly doming. About.
空気減極バッテリセルのような電気エネルギを生成する活物質としてセル外部からの酸素又は他のガスのような流体を利用する電気化学バッテリセルは、様々な携帯用電子デバイスに電力を供給するために使用することができる。亜鉛/空気セルは、電子補聴器及び他の電子デバイスのためのバッテリとしての特定の有用性を有するボタン形セルの形態に一般的に組み立てられる。亜鉛/空気ボタン形セルは、カソード缶、及びアノードカップ又はアノードカバーを通常含み、それらは、一緒にセルハウジングを形成する。セルハウジング内部には、正極及び負極(それぞれ、カソード及びアノード)、セパレータ、及び水溶性電解質が配置される。空気減極セルにおいては、正極は、一般的にスポンジ状で多孔質の空気電極である。ガスケットが、第1及び第2のハウジング構成要素の間に配置され、セルハウジングを密封閉止する。セルハウジング内に開口部が通常設けられ、酸素を含む大気がカソード反応剤として機能するために空気正極に入ることを可能にする。 Electrochemical battery cells that utilize fluids such as oxygen or other gases from the outside of the cell as an active material that generates electrical energy, such as air depolarized battery cells, to power various portable electronic devices Can be used for Zinc / air cells are typically assembled in the form of button cells with particular utility as batteries for electronic hearing aids and other electronic devices. Zinc / air button cells typically include a cathode can and an anode cup or anode cover, which together form a cell housing. A positive electrode and a negative electrode (a cathode and an anode, respectively), a separator, and a water-soluble electrolyte are disposed inside the cell housing. In an air depolarization cell, the positive electrode is generally a sponge-like porous air electrode. A gasket is disposed between the first and second housing components to hermetically close the cell housing. An opening is typically provided in the cell housing to allow the oxygen containing atmosphere to enter the air cathode to function as the cathode reactant.
亜鉛/空気セルでは、空気電極は、集電スクリーン内に押し付けられたカーボン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂粉末、二酸化マンガン、及び結合剤の電極混合物として通常設けられる。微孔性PTFEフィルムのような微孔性層が、通常は空気電極の空気取り入れ側に接着され、空気電極混合物に空気が入ることを可能にする。集電スクリーンを有する空気電極と、微孔性層と、セパレータとは、一般的に積層シートの形態で空気電極アセンブリとして通常一緒に組み立てられる。空気電極アセンブリは、セルハウジングが圧着閉止された時に電極アセンブリの周縁がハウジング構成要素間にガスケットと共に圧縮されるようにハウジング内に挿入される。空気電極アセンブリは、一般的に可撓性かつスポンジ状であり、ガスケットと共に圧縮してセルハウジングの密封閉止をもたらす多孔質材料を含む。 In a zinc / air cell, the air electrode is typically provided as an electrode mixture of carbon, polytetrafluoroethylene (PTFE) resin powder, manganese dioxide, and binder pressed into a current collector screen. A microporous layer, such as a microporous PTFE film, is usually bonded to the air intake side of the air electrode, allowing air to enter the air electrode mixture. The air electrode with current collecting screen, the microporous layer, and the separator are typically assembled together as an air electrode assembly, typically in the form of a laminated sheet. The air electrode assembly is inserted into the housing such that the periphery of the electrode assembly is compressed with the gasket between the housing components when the cell housing is crimped closed. The air electrode assembly is generally flexible and sponge-like and includes a porous material that compresses with the gasket to provide a hermetic closure of the cell housing.
従来型の絶縁ガスケットは、一般的に、外側直立壁と、より短い内側直立壁と、相互接続底基部壁とを有するJ字形ガスケットである。ガスケットの外側直立壁は、一般的に、2つのハウジング構成要素の側壁の間に圧縮される。ガスケットの基部壁は、一般的に、アノードカップ又はアノードカバーの側壁の底縁と空気電極アセンブリとの間に圧縮され、これは、次に、カソード缶に当接する。従来型のJ字形ガスケットの内側直立壁は、それが、バッテリ内の容積を消費し、かつ必ずしも最適な密封係合をもたらさないようにセルハウジングの内部容積内に延びている。 Conventional insulating gaskets are generally J-shaped gaskets having an outer upright wall, a shorter inner upright wall, and an interconnected bottom base wall. The outer upright wall of the gasket is typically compressed between the side walls of the two housing components. The base wall of the gasket is typically compressed between the bottom edge of the side wall of the anode cup or anode cover and the air electrode assembly, which then abuts the cathode can. The inner upright wall of the conventional J-shaped gasket extends into the internal volume of the cell housing so that it consumes the volume in the battery and does not necessarily provide optimal sealing engagement.
多孔質電極アセンブリを使用する従来型の電気化学セルは、いくつかの欠点があると考えられる。例えば、バッテリハウジングの圧着閉止は、缶及びガスケットに対して軸線方向の力を一般的に生じさせ、その力は、ガスケットと空気電極アセンブリとのインタフェースに伝達される。空気電極アセンブリは、一般的に高い空隙率を有して製造されているので、空気電極アセンブリは、剛体構造の部材ではなく、従って、必ずしも頑強な密封閉止をもたらすとは限らない。バッテリハウジングの圧着閉止中に、空気電極アセンブリは圧縮され、それは、望ましくない非平坦状態であるアノードに向かう空気電極アセンブリのドーミングを通常生じさせる。空気電極アセンブリのドーミングは、一般的に、バッテリセル内のそうでなければ使用可能な内部容積の損失をもたらし、空気電極アセンブリの亀裂を生じさせる場合があり、かつバッテリセルからの電解質漏れを引き起こす場合がある。 Conventional electrochemical cells that use porous electrode assemblies are believed to have several disadvantages. For example, the crimp closure of the battery housing typically produces an axial force on the can and gasket that is transmitted to the gasket and air electrode assembly interface. Since the air electrode assembly is typically manufactured with a high porosity, the air electrode assembly is not a rigid member and therefore does not necessarily provide a robust hermetic closure. During the crimp closure of the battery housing, the air electrode assembly is compressed, which usually causes doming of the air electrode assembly towards the anode, which is an undesirable non-flat state. Doming of the air electrode assembly generally results in a loss of otherwise usable internal volume in the battery cell, may cause cracking of the air electrode assembly and cause electrolyte leakage from the battery cell There is a case.
従って、活物質のためのバッテリハウジングの使用可能な内部容積を最適化するバッテリセルを提供することが望ましい。特に、空気電極アセンブリのドーミングを最小にする空気セルを提供することが望ましい。更に、バッテリセルの適度な長期保管寿命を保証するために漏れ防止性の強化を更に示すバッテリセルを提供することが望ましい。 Accordingly, it is desirable to provide a battery cell that optimizes the usable internal volume of the battery housing for the active material. In particular, it is desirable to provide an air cell that minimizes the doming of the air electrode assembly. In addition, it is desirable to provide a battery cell that further exhibits enhanced leakage prevention to ensure a reasonable long shelf life of the battery cell.
本発明の教示により、バッテリハウジングに適度な密封閉止を与えるバッテリを提供する。本発明の1つの態様により、第1及び第2のハウジング構成要素を含むセルハウジングと、第1及び第2のハウジング構成要素との間に配置されたガスケットとを含むバッテリを提供する。セルハウジングは、セルハウジング内への流体の通過のためにセルハウジングの側面を通過する少なくとも1つの流体入口ポートを有する。バッテリは、第1のハウジング構成要素に電気的に接触してセルハウジング内に配置された第1の電極と、第2のハウジング構成要素に電気的に接触してセルハウジング内に配置された第2の流体消費電極を含む電極アセンブリとを更に含む。ガスケットは、外側直立壁と、基部壁と、第1の内側壁が第1のハウジング構成要素に付勢的に接触し、第2の内側壁が電極アセンブリに付勢的に接触するように延びる第1及び第2の内側壁とを含む。 In accordance with the teachings of the present invention, a battery is provided that provides a moderate hermetic closure to the battery housing. According to one aspect of the invention, a battery is provided that includes a cell housing that includes first and second housing components and a gasket disposed between the first and second housing components. The cell housing has at least one fluid inlet port that passes through a side of the cell housing for passage of fluid into the cell housing. The battery includes a first electrode disposed in the cell housing in electrical contact with the first housing component, and a first electrode disposed in the cell housing in electrical contact with the second housing component. And an electrode assembly including two fluid consuming electrodes. The gasket extends such that the outer upright wall, the base wall, and the first inner wall biasingly contact the first housing component and the second inner wall biasingly contact the electrode assembly. First and second inner walls.
本発明の別の態様により、セルハウジング内への流体の通過のためにセルハウジングの側面を通過する少なくとも1つの流体入口ポートを有するセルハウジングを含むバッテリを提供する。セルハウジングは、第1のハウジング構成要素及び第2のハウジング構成要素を含む。第1の電極は、第1のハウジング構成要素に電気的に接触してセルハウジング内に配置される。第2の流体消費電極を含む電極アセンブリは、第2のハウジング構成要素に電気的に接触してセルハウジング内に配置される。ガスケットは、第1及び第2のハウジング構成要素間に配置される。ガスケットは、外側直立壁と、基部壁と、基部壁から延びて終端部を有する第1及び第2の内側延長部とを含み、この第1及び第2の内側延長壁は、第1の内側壁が第1のハウジング構成要素に付勢的に接触し、かつ第2の内側壁が電極アセンブリに付勢的に接触するように圧縮される。 According to another aspect of the invention, a battery is provided that includes a cell housing having at least one fluid inlet port that passes through a side of the cell housing for passage of fluid into the cell housing. The cell housing includes a first housing component and a second housing component. The first electrode is disposed in the cell housing in electrical contact with the first housing component. An electrode assembly including a second fluid consuming electrode is disposed in the cell housing in electrical contact with the second housing component. The gasket is disposed between the first and second housing components. The gasket includes an outer upright wall, a base wall, and first and second inner extensions extending from the base wall and having a termination, the first and second inner extension walls being a first inner wall. The wall is compressed so that it is in urging contact with the first housing component and the second inner wall is in urging contact with the electrode assembly.
本発明の様々な態様の1つ又はそれよりも多くにより、バッテリは、セルハウジングの強化した密封閉止を有利に達成する。更に、バッテリは、そうでなければバッテリ内の使用可能容積を消費する場合がある電極アセンブリのドーミングの低減を示す。 In accordance with one or more of the various aspects of the present invention, the battery advantageously achieves an enhanced hermetic closure of the cell housing. Further, the battery exhibits reduced doming of the electrode assembly that may otherwise consume the usable volume in the battery.
本発明のこれら及び他の特徴、利点、及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより、当業者によって更に理解かつ評価されるであろう。 These and other features, advantages, and objects of the present invention will be further understood and appreciated by those skilled in the art by reference to the following specification, claims, and appended drawings.
本発明の実施形態は、電極のうちの1つで用いる活物質としてセルの外側からの流体(酸素又は別の気体のような)を利用する電気化学セルを含むバッテリを含む。バッテリセルは、電気化学的活性成分としてセルの外側から受け入れた流体(例えば、酸素)を使用する酸素還元電極のような流体消費電極を有する。バッテリセルは、空気減極セル又は空気支援流体利用セルとすることができる。本発明は、酸素還元電極を有する空気減極セルによって下記に例示するが、本発明は、より一般的に、他の種類の流体消費電極を有する流体消費セルに使用することができる。更に、例示的なセルは、実質的に矩形の形状を有する角形セルとして示しているが、バッテリセルは、円筒形又はボタン形セルのような他の形状及び大きさから成ることができる。 Embodiments of the present invention include a battery that includes an electrochemical cell that utilizes a fluid (such as oxygen or another gas) from the outside of the cell as an active material for use with one of the electrodes. The battery cell has a fluid consuming electrode, such as an oxygen reducing electrode, that uses a fluid (eg, oxygen) received from the outside of the cell as the electrochemically active component. The battery cell may be an air depolarization cell or an air assisted fluid utilization cell. Although the present invention is illustrated below with an air depolarization cell having an oxygen reduction electrode, the present invention can be used more generally in fluid consumption cells having other types of fluid consumption electrodes. Further, although the exemplary cell is shown as a rectangular cell having a substantially rectangular shape, the battery cell can be of other shapes and sizes, such as a cylindrical or button cell.
ここで図1−図4を参照すると、電気化学流体消費バッテリセル10が、本発明の一実施形態に従って構成されて示されている。図示のように、この実施形態では空気減極セルである流体消費セル10は、アノードカップ又はカバーと呼ばれる第1のハウジング構成要素16と、カソード缶と呼ばれる第2のハウジング構成要素14とを有するセルハウジング12を含む。缶14及びカバー16は、それ以外に缶又はカバーと見なされると考えられるものとは異なる他の形状及び大きさから成ることができる。開示された例については、第1のハウジング構成要素は、以下でカバー16と称し、一方、第2のハウジング構成要素は、以下で缶14と呼ぶ。缶14及びカバー16の両方は、導電材料で製造され、ガスケット22によって相互に電気的に分離される。缶14が、流体消費セル10のための外側正接触端子として一般的に機能するのに対して、カバー16は、外側負接触端子として一般的に機能する。 Referring now to FIGS. 1-4, an electrochemical fluid consumption battery cell 10 is shown configured according to one embodiment of the present invention. As shown, the fluid consuming cell 10, which in this embodiment is an air depolarizing cell, has a first housing component 16 called an anode cup or cover and a second housing component 14 called a cathode can. A cell housing 12 is included. The can 14 and cover 16 may be of other shapes and sizes that are otherwise different from what would be considered a can or cover. For the disclosed example, the first housing component is referred to below as cover 16, while the second housing component is referred to below as can 14. Both can 14 and cover 16 are made of a conductive material and are electrically separated from each other by gasket 22. The can 14 generally functions as an outer positive contact terminal for the fluid consuming cell 10, while the cover 16 generally functions as an outer negative contact terminal.
缶14は、周囲部分と凹部中央部分の間に移行部30を有する中央の外側に窪んだ底面を含む。複数の流体入口ポート(穴)32が、缶14の底部に形成され、それによって流体(酸素を含む大気)が、セルハウジング12の内部に入り、電極アセンブリ24の一部分として組み立てられた流体消費電極52に移動することが可能とされる。カソード反応剤(例えば、酸素)を含有する十分な流体が流体消費電極52に到達することを可能にする1つ又はそれよりも多くの流体入口ポート32を使用することができる点を認めるべきである。更に、バッテリセル10内への流体の流入速度を調整するために、流体調整システムをバッテリセル10内に又はその外側に組み込むことができる。
The can 14 includes a centrally recessed bottom surface having a
セルハウジング12内部に、負極又はアノードとも称される第1の電極が配置される。セルハウジング12内には、第2の流体消費電極52(図6)を含む電極アセンブリ24も配置される。第2の電極52は、本明細書では正極又はカソードとも称される。電極アセンブリ24の一部としても示されているセパレータ50は、第1の電極34と第2の電極52の間に配置される。セパレータ50は、それぞれの電極34と電極52の間のイオン導電体として機能する。セパレータ50は、電極34と電極52の間の内部短絡を防止するための電気誘電体としても機能する。一実施形態では、セパレータ50は、2つの層を有するが、セパレータ材料の1つ又はそれよりも多くの層を使用することができる。
A first electrode, also referred to as a negative electrode or an anode, is disposed inside the cell housing 12. Also disposed within the cell housing 12 is an
第1の電極34は、好ましくは、カバー16と電気的に接触する。一実施形態によれば、第1の電極34は、アノードカップ又はカバー16内に収容された、アノード電気化学活物質として亜鉛を有する亜鉛電極である。電極34は、カップ16内に置かれた亜鉛粉末を含むことができ、アノードカップ又はカバー16と電気接触を行う。一例示的実施形態では、第1の電極34は、亜鉛粉末と、水溶性電解質と、結合剤のような有機成分との混合物を含むことができ、それらは、バッテリセル10の負極を構成する。水溶性電解質は、一例に従えば30パーセント(30%)水酸化カリウム(KOH)溶液である水酸化カリウム水溶液を含むことができる。第1の電極34は、負極を提供するための他の公知の材料を含むことができる。開示した実施形態では、負極34の全ての電気化学活物質は、セル組立て時に、組み合わされてハウジング12内部に収容される。 The first electrode 34 is preferably in electrical contact with the cover 16. According to one embodiment, the first electrode 34 is a zinc electrode housed in an anode cup or cover 16 having zinc as the anode electrochemically active material. The electrode 34 can include zinc powder placed in the cup 16 and makes electrical contact with the anode cup or cover 16. In one exemplary embodiment, the first electrode 34 can include a mixture of zinc powder, a water-soluble electrolyte, and an organic component such as a binder, which constitutes the negative electrode of the battery cell 10. . The water-soluble electrolyte can include an aqueous potassium hydroxide solution, which is a 30 percent (30%) potassium hydroxide (KOH) solution according to one example. The first electrode 34 can include other known materials for providing a negative electrode. In the disclosed embodiment, all the electrochemical active materials of the negative electrode 34 are combined and accommodated inside the housing 12 when the cell is assembled.
第1の電極34の底面に接して、空気電極52に付加(例えば、接着)されたセパレータ50を含む空気電極アセンブリ24が配置される。空気電極アセンブリ24は、組み合わされ、圧縮され、切断され、次に、底部内面にほぼ沿ってカソード缶14内に挿入されている積層シートとして形成されて示されている。空気電極アセンブリ24は、圧縮されてその後ガスケット22と缶14の底部周囲内面との間に配置された周囲領域又は周囲部分28を含む。空気電極アセンブリ24は、それが類似形状の缶14内部に適合するように丸いコーナを有するほぼ角型又は矩形の形状を有して図5及び図6に更に示されている。本明細書に示して説明する実施形態では、空気電極アセンブリ24は、セパレータ50と、空気電極52と、空気電極52内部に配置された集電スクリーン54と、空気透過性で多孔質材料の層56から成る。空気アセンブリ24は、電気化学セル10内への容易な挿入及び組立を可能にする様々な層で構成された積層シートとして一般的に形成される。
In contact with the bottom surface of the first electrode 34 is an
空気電極52は、当業技術で公知であるように、カーボンと、触媒と、結合剤とのカソード混合物で製造される。一例示的実施形態によれば、正極混合物は、全混合物の約60パーセント(60%)から約80パーセント(80%)の量でのカーボン、全混合物の約3パーセント(3%)から約12パーセント(12%)の量での酸化マンガン触媒、及び全混合物の約5パーセント(5%)から約40パーセント(40%)の量でのテトラフルオロエチレン(TFE)結合剤を使用する。別の実施形態によれば、空気電極52の混合物調製は、10パーセント(10%)から15パーセント(15%)のTFE結合剤を使用する。集電体54は、空気電極52内部に配置された又は正極混合物54の片側、好ましくは、セパレータ50に隣接した側に電極アセンブリ24の周縁にまで延びて組み込まれたニッケルexmetスクリーンを含むことができる。空気正極52は、好ましくは、缶14に電気的に接触する。電気的接触は、主として集電体54により、好ましくは、電極アセンブリ24の外縁と缶側壁18の内面との間の締まり嵌めの結果として行うことができる。カーボンは活性炭であり、これは、空気電極52の活性電気化学物質として機能する。更に、酸素のような外側流体も空気電極52の活性成分として機能し、これは、酸化マンガンによる触媒作用で、活性炭の表面上で空気電極内の水と反応する。その結果、空気電極52は、セルバッテリ10の外側から受け入れた活性成分を使用する。
The air electrode 52 is made of a cathode mixture of carbon, catalyst, and binder as is known in the art. According to one exemplary embodiment, the positive electrode mixture is carbon in an amount of about 60 percent (60%) to about 80 percent (80%) of the total mixture, about 3 percent (3%) to about 12 percent of the total mixture. Manganese oxide catalyst in an amount of percent (12%) and tetrafluoroethylene (TFE) binder in an amount of about 5 percent (5%) to about 40 percent (40%) of the total mixture are used. According to another embodiment, the air electrode 52 mixture preparation uses 10 percent (10%) to 15 percent (15%) TFE binder. The current collector 54 may include a nickel exmet screen disposed within the air electrode 52 or embedded extending to the periphery of the
空気電極アセンブリ24と缶14の底部内面の間に、空気分配層又は拡散層60が配置される。空気拡散層60は、低密度紙のような高度に多孔質の遊離層を含むことができ、これは、開口部32に入り、空気電極アセンブリ24、特に空気電極52に達する空気、特に酸素の均一な分布を容易にする。図示の実施形態では、空気拡散層60は、アセンブリ24の一部としては形成されず、かつガスケット22と缶14の間の圧縮した圧着閉止領域内部に延びていない。
An air distribution or diffusion layer 60 is disposed between the
空気電極アセンブリ24は、多孔質材料で構成されたほぼ可撓性でスポンジ状の多孔質シートである。空気電極52は、強化した電気化学作動を達成するために高度の多孔性を有して製造される。微孔性層56は、空気の制御された通過を可能にする相当多孔性であるPTFEフィルム層とすることができる。微孔性層56は、液体の出入を制御するように詳細には水溶性電解質の通過に抵抗するために疎水性でもある。一実施形態によれば、微孔性層56は、空気電極52の底面に加圧積層される。
The
別の空気透過性の微孔性層58は、電極アセンブリ24と缶14の間でセル10内に配置することができる。一実施形態によれば、微孔性層58は、微孔性層56の下に置かれるPTFEフィルムの遊離層とすることができ、例えば、層56が亀裂又はその他で損傷した時のセル10からの電解質漏れに対する付加的な障壁を提供する。
Another air permeable microporous layer 58 can be disposed in the cell 10 between the
空気電極アセンブリ24は、セルハウジング12内への挿入の前に周囲領域28内で予備圧縮される積層シートとして一般的に構成される。本明細書で使用される時、「予備圧縮された」空気電極アセンブリ24とは、その構成要素の積層の後かつ電極アセンブリ24が缶14内に挿入される前に、このアセンブリの周囲部分28が圧縮されるものである。空気電極アセンブリ24は、圧縮された周囲部分28に対して圧縮されずに残されるかなりの中間領域又は中間部分26を有する。圧縮されない中間部分26は、スポンジ状で可撓性かつ多孔性のままであり、開口部32に入る外気(例えば、酸素)を受け入れ、セパレータ50を通じてアノード34とイオン的に連通する。周囲圧縮部分28は、空気電極アセンブリ24がガスケット22の底基部壁42と缶14の内側底面の周囲部分との間に配置されることになる周囲領域内で圧縮される。圧縮周囲部分28と非圧縮中央部分26の間には、移行帯域が存在することができ、そこでは電極アセンブリ24が部分的に圧縮されて電極アセンブリに対する損傷が防止される。
The
圧縮部分28の幅は、空気電極アセンブリ24の周方向強度を高めるように選択され、それによって半径方向の閉止力を硬い予備圧縮部分28によって吸収することができ、より多孔質の非圧縮部分26に向け更に内側に伝達されないようになっている。その結果、空気電極アセンブリ24のドーミングが低減される。アセンブリ24の予備圧縮部分28の大きさは、高められる漏れ防止性と、電極ドーミングのあらゆる悪影響と、低減される電気化学的機能との間で均衡させることができる。
The width of the compressed portion 28 is selected to increase the circumferential strength of the
一実施形態によれば、空気電極アセンブリ24の圧縮部分28は、非圧縮部分26の厚みである初期の厚みの少なくとも20パーセント(20%)圧縮される。約25ミリメートルの全体的な長さ及び7.5ミリメートルの幅を有するPR48バッテリセルの例によれば、空気電極アセンブリ24は、約0.381ミリメートル(0.015インチ)の開始非圧縮高さを有して形成される。周囲部分28の予備圧縮の後に、空気電極アセンブリの非圧縮部分26は、約0.381ミリメートル(0.015インチ)の厚みのままであり、圧縮部分は、約0.2921ミリメートル(0.0115インチ)に圧縮される。従って、圧縮部分28は、0.0508ミリメートル(0.002インチ)を超えて、より具体的には約0.0635ミリメートル(0.0025インチ)圧縮される。約0.02921ミリメートル(0.00115インチ)の圧縮厚みを達成するために、一例によれば、圧縮部分は、それが約0.0127ミリメートル(0.0005インチ)反発して戻るのが可能なように、約0.2794ミリメートル(0.0110インチ)にまで最初に圧縮することができる。
According to one embodiment, the compressed portion 28 of the
周囲部分28を予備圧縮することにより、ハウジング12内でのその後の圧着閉止は、空気電極アセンブリ24の圧縮のためのかなりのエネルギの印加とは逆に、ガスケット22の圧縮に向かうエネルギをもたらすことになる。これは、予備圧縮部分28が柔軟性を除去され、非常に固くなっていることによる。予備圧縮部分28は、水溶性電解質の移動を更に遅らせ、それは、周囲への水溶性電解質の接近を低減し、従って、バッテリセル10の漏れを更に低減する。この部分28の圧縮は、少なくとも多孔質材料52及び微孔性層56内の空隙空間の圧縮を生じさせ、並びにセパレータ50のいくらかの圧縮をもたらす。圧縮部分28の予備圧縮の結果として、空気電極アセンブリ24の圧縮性の大部分が、バッテリセルハウジング12内へのこのアセンブリの組立及びその後のハウジング12の圧着閉止の前に除去されることも見出されており、周囲部分28は、高度のバネ状挙動を呈することになり、それによって密封セル10内のより良好な軸線方向密封を提供する。
By pre-compressing the surrounding portion 28, subsequent crimp closure within the housing 12 results in energy toward compression of the gasket 22 as opposed to applying significant energy for compression of the
図7−図9を参照すると、一例示的実施形態に従って予備圧縮空気電極アセンブリ24の製造が示されている。図7では、プレス及び切断(打ち抜き)機械90が示され、予め製造された空気電極アセンブリ材料のシート51が受け入れられている。機械90は、周囲下方延長プレス部分102を有するほぼ角形の上側プレス100を有し、これは、延長部分102に位置決めした周囲上方延長プレス部分106を有する下側プレス基部104に位置決めされる。支持ブロック108が、基部104の外縁の周囲に設けられる。図8に見られるように、上側プレス100は、強制的に下方に移動され、プレス部分102及び106の間のシート51を圧縮して圧縮領域28を形成するために、予め製造された空気電極アセンブリ材料のシート51に接触するように移動される。一実施形態によれば、プレス100は、約12.7から15.5kg/cm2(180から220psi)の範囲での積層圧力を印加することができる。例示的な実施形態によれば、プレス部分102及び106は、シート51を上面及び底面で圧縮して圧縮部分28を形成する。他の実施形態によれば、圧縮部分28は、電極アセンブリ24の上面又は底面だけに形成することができる。更に、上側プレス100は下方に移動し、それによってシート51を望ましい角形の形状及び大きさに切断するように、圧縮部分28の周縁で過剰のシート材料53が、支持ブロック108のコーナによって切除される。図5及び図9に示されている空気電極アセンブリ24は、次に、電気化学セル10の組立中の缶14内への挿入に待機する。
7-9, the manufacture of the pre-compressed
1つよりも多い空気電極アセンブリ24を積層材料の単一のシート51から切り取ることができる。例えば、シート51は、それから一連の電極アセンブリ24が打ち抜きされるストリップの形態とすることができる。隣り合った電極アセンブリ24は、単一のパンチ又はローラを用いるなどで両方の圧縮部分28の少なくとも一部分の基本的に同時の圧縮によって形成された隣接する圧縮部分28を有することができる。
More than one
電気化学セル10は、有利な態様においては、ハウジング12の圧着閉止部の内側に設けられた第1及び第2の内部延長壁又は延長部44及び46を有する絶縁ガスケット22を使用する。図10を参照すると、セルハウジング12内への挿入の前の絶縁ガスケット22が、一実施形態に従って示されている。見られるように、ガスケット22は、外側直立壁40と、底基部壁42と、1対のレバー又は脚部を形成する第1及び第2の内側延長壁44及び46とを含む。第1及び第2の内側壁44及び46は、終端部を有し、底基部壁42によって外側直立壁40に相互接続される。内側壁44の外面には、終端部に接近して約15度(15°)のテーパ45が形成され、これは、カバー側壁20との高度の位置決めを可能にする。
The electrochemical cell 10 advantageously uses an insulating gasket 22 having first and second internal extension walls or
第1及び第2の内側延長壁44及び46は、90度(90°)よりも大きい角度φで形成され、それによって内側直立壁44の外面と第2の内側壁46の底面とが90度(90°)よりも大きい角度φに置かれるようになっている。一実施形態によれば、角度φは、95度(95°)から135度(135°)の範囲であり、より詳細には、約100度(100°)である。第1の内側壁44は、外側壁40に実質的に平行な直立壁であり、それによってこの内側壁が、カバー16の下方延長壁20の内面に係合するようになっている。内側壁44及び外側直立壁は、カバー16の側壁20を受け入れるためにその間に設けられたスロット41を有する。第2の内側壁46は、水平から5度(5°)から45度(45°)、より詳細には、約10度(10°)下方に傾斜し、それによってその底面が空気電極アセンブリ24の上面に係合するようになっている。第1及び第2の内側延長壁44及び46を90度(90°)より大きい角度で形成することにより、カバー16の下方延長壁20の内面に対する付勢力及び空気電極アセンブリ24の上面に対する付勢力を提供するバネとして機能するように、ガスケット22の第1及び第2の内側壁44及び46は、セル10が組み立てられる時に互いに向けて曲げられる。これは、セルハウジング12の密封閉止に高度の堅牢性を提供する。
The first and second
ガスケット22の外側直立壁40は、内面66を有し、その角度は、位置64で変化し、位置64での増大した厚みを提供する。位置64での角度の変化は、密封閉止を強化し、位置64で高圧縮領域を形成する。結果として生じた直立外側壁40の内面66は、位置64で角度の単一の変化を有する。
The outer
位置64での角度の単一の変化の提供において、ガスケット22の内面66の幾何形状の変化に関連するツール痕跡又は非一貫性は存在しない。外側直立側壁40の外面は、セルハウジング12が圧着閉止される時、密封帯域内に形成される隆起部を生じさせる様々な角度を有する場合がある。従って、カバー16の下方延長側壁20は、密封帯域内の僅かに大きい密封の圧力によって内側に押し込めることができる。その時、カバー16の壁20は、温度変化の間であってもガスケット22に連続した力を提供するバネとして機能する。カバー16の上部は、負接触表面になるカバー16の残った部分によって固定される。カバー16の底部は、カバー16の壁20の末端部を半径方向の位置に保持するガスケット22の基部42によって固定される。これは、カバー16の中央に(すなわち、密封帯域に)印加された力で両端が実質的に保持されているカバー側壁20をもたらす。得られるバネ負荷密封部材は、温度変化の間にそれらが密封表面上に間断ない圧力を提供するので好ましい。従って、バッテリセル10の保管時の漏れ防止性を改善することができる。更に、内部ガス発生時などのようなバッテリセル10が加圧された時に、この圧力は、内側カバー側壁20上に作用し、従って、ガスケット22上の圧縮を増強させ、それによってガスケット22は実質的に自己密封性になる。
In providing a single change in angle at location 64, there are no tool traces or inconsistencies associated with changes in the geometry of the inner surface 66 of the gasket 22. The outer surface of the outer
図11に見られるように、圧縮されたガスケット22は、位置64の近くの側壁の胴部内の密封帯域、並びに第1の内側延長壁44の外面及び第2の内側延長壁46の底面を含む高圧縮密封帯域48を生成する。半径方向及び軸線方向の両方の密封帯域が、特に、高圧縮密封帯域48で確立される。高圧縮帯域48の複数の密封領域は、漏れ経路をより蛇行させて、製造誤差への主密封帯域の感受性を軽減させる。
As seen in FIG. 11, the compressed gasket 22 includes a sealing zone in the barrel of the side wall near location 64, as well as the outer surface of the first inner extension wall 44 and the bottom surface of the second
一例では、PR48バッテリセルは、約3.7°に高めて傾斜された缶側壁18を使用することができる。従って、バッテリセル10がコレット内に再度引かれる時に、缶側壁18は直線的になる。缶14の内側直径とガスケット22の外側直径との間の締まりは、クリアランスから僅かな締まりにまで高められる。 In one example, the PR48 battery cell may use a can side wall 18 that is angled up to about 3.7 °. Thus, when the battery cell 10 is pulled again into the collet, the can side wall 18 becomes straight. The tightness between the inner diameter of the can 14 and the outer diameter of the gasket 22 is increased from clearance to a slight tightness.
図11及び12を参照すると、第2の内側延長壁46が、缶14の底部壁、特に、底部壁の周囲部分と中央凹部部分の間の傾斜した移行部30の内面に関連して示されている。一実施形態によれば、移行部30の半径方向最外側ポイントと、第2の内側延長壁46と空気電極アセンブリ24との接触部の半径方向最内側ポイントとの間の間隔D(図12)は、0.127ミリメートル(0.005インチ)よりも大きく、より詳細には、約0.2032ミリメートル(0.008インチ)である。缶底部内の移行部30の内面は、好ましくは、水平から15度よりも大きい角度で中央凹部領域から上方向かつ外方向に延びる(セルが図11に示すように向いている時)。缶底部内の移行部30は、実質的に直線的な傾斜部、急な(例えば、垂直な)ステップ、又は電極アセンブリ24の中央部分をガスケット22の第1の内側延長部46の先端部によって内部に押し込むことができる凹部を提供する他の構成を含むことができる。
Referring to FIGS. 11 and 12, a second
移行部30の内面上の半径方向最外側ポイントを超えて半径方向内側に延びるガスケット22の第2の内側延長壁46を提供することにより、第2の内側延長壁46は、そうでなければ生じる可能な電極アセンブリ24のドーミングの量を低減するために電極アセンブリ24を本質的に下方に押し付ける。従って、ガスケット22の第2の内側延長壁46は、本質的に空気電極アセンブリ24を下方に圧縮し、アセンブリ24を窪んだ缶14内に下方に押し付けて電極ドーミングに対抗するレバー効果を生じさせる。缶14の外側周囲に合わせて形成することにより、レバー効果を空気電極アセンブリ24上に下向き方向に発生させることができる。
By providing a second
一般的に、電極アセンブリを予備圧縮するために印加される力(予備圧縮力)は、電極アセンブリ24の構成要素が破損されない限り強いほど良く、かつ予備圧縮力は、セル閉止の間に電極アセンブリ24に印加される力と一般的に等しいか又はより大きいことになる。
In general, the force applied to pre-compress the electrode assembly (pre-compression force) is better as long as the components of the
好ましくは、空気電極アセンブリ24の予備圧縮部分28は、中央の非予備圧縮部分26の厚みの85%よりも大きくなく、より好ましくは、80%よりも大きくなく、より好ましくは、75%よりも大きくない厚みに圧縮されることになる。電極アセンブリの損傷を回避するために、予備圧縮部分28の厚みは、非予備圧縮部分26の厚みの70%を下回らない厚みに圧縮されることになる。
Preferably, the pre-compressed portion 28 of the
予備圧縮の結果として、セル10が閉止された後の予備圧縮部分28の跳ね返り特性が低減される。コンピュータモデルは、電極の大きさにより、平均約27から殆ど100%までに及ぶ跳ね返りの低減を予測している。一般的に、電極が大きいほど予備圧縮の効果が高い。約15mm又はそれよりも大きい幅を有する電極について、好ましくは、予備圧縮は、電極アセンブリ24が密封セル10から取り除かれる時に、予備圧縮部分28の厚みが、平均約12%より大きく増大しないことになるようなものであり、それは、密封セル10を切断し、切断されたセルから電極アセンブリ24を取り除いた前後の予備圧縮部分28の厚みを測定することによって判断することができる。より好ましくは、平均厚みの増大は、10パーセントよりも大きくなく、最も好ましくは、約5パーセントよりも大きくないことになる。
As a result of the precompression, the rebound characteristics of the precompression portion 28 after the cell 10 is closed are reduced. The computer model predicts a bounce reduction ranging from an average of about 27 to almost 100% depending on the size of the electrode. Generally, the larger the electrode, the higher the effect of pre-compression. For electrodes having a width of about 15 mm or greater, preferably the pre-compression is such that when the
電極アセンブリ24は、それが積層電極アセンブリストックのより大きいシート51から切り出されるか又は打ち抜かれる前、その最中、又はその後に予備圧縮することができるが、それらが個別の電極アセンブリ24に切断される前に隣接する電極アセンブリ24の周囲部分を予備圧縮することが有利である可能性がある。そうすることにより、空気電極混合物52の側方流れを最小にすることができ、予備圧縮中の混合物の圧密が改善され、切断された電極アセンブリ24の端面からの予備圧縮中の混合物のはみ出しが防止される。
The
缶内への挿入の前の電極アセンブリ24の周囲部分の予備圧縮の代替として、電極アセンブリ24は、ガスケット22及びカバー16が缶14と共に組み立てられる前に圧縮することができる。例えば、電極アセンブリ24は、缶内に挿入されて、圧縮力を例えば剛体パンチを用いて電極アセンブリ24の周囲部分に印加することができる。圧縮段階中の電極アセンブリ24の損傷を回避するために、缶底部の隣接部分の形状と類似した形状を有する電極アセンブリ接触表面を備えたパンチを使用することが望ましいであろう。この圧縮段階中の電極アセンブリ24の端面からのカソード混合物52のはみ出しを回避することも望ましい。電極アセンブリ24が圧縮された後、ガスケット22とアノード34を収容したカバー16とが缶14と組み合わされ、缶側壁18の上端部分が内向きかつ下向きに曲げられてハウジング12が密封される。
As an alternative to pre-compression of the surrounding portion of the
缶内への挿入の前の電極アセンブリ24の予備圧縮と、挿入の後及び缶14、ガスケット22、及びカバー16の組合せの前の圧縮とは、電極アセンブリ24だけに行うことができ、又は微孔性層58のような他のセル構成要素と共に電極アセンブリ24に対して行うことができる。セル閉止の前の圧縮中に電極アセンブリ24に微孔性層58を含めることは、有利に低減し、微孔性層58の密封特性も同様に改善する。
The pre-compression of the
電極アセンブリの密封形成部分の圧縮は、上述したような角形及びボタン形流体消費セルにおいてより頑強な密封を提供することができる。電極アセンブリの同様の圧縮がセルの一端又は両端に配置されるか又はセルの円筒形側壁に隣接して配置された電極アセンブリを有する円筒形セルを含む円筒形セルのような他の形状の流体消費セルにおいて良好な密封を提供することができることも考えられる。 Compression of the seal-forming portion of the electrode assembly can provide a more robust seal in square and button-type fluid consuming cells as described above. Other shaped fluids, such as cylindrical cells, including cylindrical cells with similar compression of the electrode assembly disposed at one or both ends of the cell or with electrode assemblies disposed adjacent to the cylindrical sidewall of the cell It is also conceivable that a good seal can be provided in the consuming cell.
図13を参照すると、亜鉛空気セルバッテリ120(バッテリセル10の実施形態)が、様々な表面上にシーラント122−136を用いて一般的に示されている。電気化学セル120は、セル120内の1つ又はそれよりも多くの様々な位置でセル組立て中に付加されるシーラントを使用する。シーラント位置は、空気電極アセンブリ24の圧縮領域28の上面に付加されたシーラント122を含むことができ、それによってシーラント122が、空気電極アセンブリ24とガスケット22の基部壁42の底面との間のインタフェースに設けられる。シーラント124は、空気電極52の周囲部分と電極アセンブリ24の微孔性材料56の遊離層との間に付加することができる。シーラント126は、微孔性材料56の遊離層の周囲部分と缶14の底部との間に配置することができる。シーラント130は、ガスケット22の第1の内側延長部44とカバー7の下方延長壁20の内面との間に配置することができる。シーラント132は、ガスケット22の直立外側壁40にインタフェースで接続する缶14の上側延長壁18の内面上に配置することができる。シーラント134は、カバー16の下方延長壁20にインタフェースで接続するガスケット22の直立壁40の内面上に配置することができる。更に、シーラント136は、ガスケット22の直立外側壁40の上側内面にインタフェースで接続するカバー16の壁20の肩部上に配置することができる。
Referring to FIG. 13, a zinc air cell battery 120 (an embodiment of the battery cell 10) is generally shown with sealants 122-136 on various surfaces. The electrochemical cell 120 uses a sealant that is added during cell assembly at one or more various locations within the cell 120. The sealant location can include a sealant 122 added to the top surface of the compression region 28 of the
一部の例によれば、様々なシーラント122から136は、アスファルト又はポリアミドホットメルト接着剤のような公知のシーラントを含むことができる。トリクロロエチレン、イソプロピルアルコール、ナフサ、並びに他の公知の溶媒のような様々な溶媒は、シーラントの付加を容易とするためにシーラントと混合させることができる。この混合物内のシーラント122から136の重量負荷は、一実施形態によれば、5パーセント(5%)から30パーセント(30%)の間で選択することができる。様々なシーラント122から136は、噴霧法、液滴法、ホットメルト分注法などのような当業技術で公知であるシーラントのための付加方法を用いて付加することができる。ホウ酸、クエン酸、酢酸、及びその他のような中和剤は、あらゆる水酸化カリウム漏れを中和するために使用することができる。シーラント122から136を様々な位置に付加することにより、ガスケット22の浸漬コーティングを不要とすることができる。これは、粘着ガスケットのような製造不具合の低減をもたらすことができる。シーラント122から136がこの例で示されているが、シーラント122から136は、セル120に頑強な密封閉止を提供するために全ての位置で必要とはされない場合があることを認めるべきである。 According to some examples, the various sealants 122-136 can include known sealants such as asphalt or polyamide hot melt adhesives. Various solvents such as trichlorethylene, isopropyl alcohol, naphtha, and other known solvents can be mixed with the sealant to facilitate the addition of the sealant. The weight load of sealant 122 to 136 in this mixture can be selected between 5 percent (5%) and 30 percent (30%), according to one embodiment. The various sealants 122 to 136 can be added using addition methods for sealants known in the art, such as spraying, droplet methods, hot melt dispensing methods, and the like. Neutralizing agents such as boric acid, citric acid, acetic acid, and others can be used to neutralize any potassium hydroxide leakage. By adding sealants 122 to 136 at various locations, dip coating of gasket 22 can be eliminated. This can lead to a reduction in manufacturing defects such as adhesive gaskets. Although sealants 122 through 136 are shown in this example, it should be appreciated that sealants 122 through 136 may not be required at all locations to provide a robust seal closure for cell 120.
従って、本発明のバッテリセル10は、電解質漏れ及び空気電極アセンブリ24のドーミングを最小にする頑強な密封閉止部を有利に提供する。本発明の教示は、角形、円筒形、円板形、及び他の形状を含む様々な形状及び大きさに構成されたバッテリセルに適用することができる。
Thus, the battery cell 10 of the present invention advantageously provides a robust hermetic closure that minimizes electrolyte leakage and
開示された概念の精神を逸脱することなく本発明に対して様々な修正及び改良を行うことができることは、本発明の実施者、並びに当業者によって理解されるであろう。与えられる保護の範囲は、特許請求の範囲により、並びに法的に許容される解釈の幅により判断されることになる。 It will be understood by those skilled in the art and those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the present invention without departing from the spirit of the disclosed concept. The scope of protection afforded will be determined by the claims and by the breadth of interpretation that is legally acceptable.
14 第2のハウジング構成要素
16 第1のハウジング構成要素
22 ガスケット
24 電極アセンブリ
34 第1の電極
14 Second housing component 16 First housing component 22
Claims (10)
前記第1のハウジング構成要素と電気的に接触して前記セルハウジング内に配置された第1の電極と、
前記第2のハウジング構成要素と電気的に接触して前記セルハウジング内に配置された第2の流体消費電極を含む電極アセンブリと、
前記第1及び第2のハウジング構成要素の間に配置され、かつ外側直立壁と、基部壁と、該第1のハウジング構成要素に付勢的に接触するように延びる第1の内側壁及び前記電極アセンブリに付勢的に接触するように延びる第2の内側壁とを含むガスケットと、
を含み、
前記第1及び前記第2の内側壁は、終端部を有し、かつ前記基部壁によって外側直立壁に相互接続しており、
前記第1の内側壁及び前記外側直立壁には、その間に、前記第1のハウジング構成要素の前記下方に延びる側壁を受けるためのスロットが設けられ、該第1の内側壁は、該第1のハウジング構成要素の該側壁の内面に係合し、
非撓み状態の前記第1及び前記第2の内側壁は、前記第1の内側壁の外面と前記第2の内側壁の底面との間の角度を95度から135度で形成し、
前記第1の内側壁の前記外面は、前記第1のハウジング構成要素の前記下方に延びる側壁に係合し、前記第2の内側壁の前記底面は、前記電極アセンブリの上面に係合する、ことを特徴とするバッテリ。 At least one fluid inlet port passing through the cell housing for passage of fluid into the cell housing, the first housing component having a downwardly extending sidewall and a second housing component including a bottom surface. A cell housing having
A first electrode disposed in the cell housing in electrical contact with the first housing component;
An electrode assembly including a second fluid consuming electrode disposed in the cell housing in electrical contact with the second housing component;
A first inner wall disposed between the first and second housing components and extending to biasably contact the outer upright wall, the base wall, and the first housing component; A gasket including a second inner wall extending in biasing contact with the electrode assembly;
Including
The first and second inner walls have terminations and are interconnected to an outer upright wall by the base wall;
The first inner wall and the outer upright wall are provided with slots for receiving the downwardly extending side walls of the first housing component between the first inner wall and the outer upright wall. Engaging the inner surface of the side wall of the housing component of
The first and second inner walls in a non-deflection state form an angle between an outer surface of the first inner wall and a bottom surface of the second inner wall from 95 degrees to 135 degrees,
The outer surface of the first inner wall engages the downwardly extending side wall of the first housing component and the bottom surface of the second inner wall engages the upper surface of the electrode assembly; A battery characterized by that.
前記第2の内側壁は、前記電極アセンブリが前記第2のハウジング構成要素における前記中央凹部に向けて付勢されるように延びる表面を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載のバッテリ。 The second housing component includes a bottom wall , the bottom wall being surrounded by the peripheral portion, a central recess recessed from the peripheral portion of the bottom wall , and the central recess and have a, a transition between the said peripheral portion,
The second inner wall has a surface that extends such that the electrode assembly is biased toward the central recess in the second housing component;
The battery according to claim 1.
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